張法，曹亮，曹權(quán)佐，胡志剛，張霖

高低壓冷卻EGR對增壓發(fā)動(dòng)機(jī)影響研究

張法，曹亮，曹權(quán)佐，胡志剛，張霖

（哈爾濱東安汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

為適應(yīng)高效發(fā)動(dòng)機(jī)的需要，以一臺1.5 L渦輪增壓氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對象，對高低壓冷卻EGR系統(tǒng)對發(fā)動(dòng)機(jī)的影響進(jìn)行測試，通過在同一臺發(fā)動(dòng)機(jī)上匹配高低壓冷卻EGR系統(tǒng)，測試相同特征工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率及其他參數(shù)。研究表明，低壓冷卻EGR較高壓冷卻EGR有更好的節(jié)油效果，更適合渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用。

高低壓冷卻EGR；渦輪增壓；EGR率；燃油消耗率

引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)及汽車工業(yè)快速發(fā)展，乘用車保有量持續(xù)攀升，車輛在改善人們生活便捷的同時(shí)，也帶來了能源消耗和環(huán)境污染的問題，各國紛紛加快乘用車燃油消耗量限值和污染物排放限值法規(guī)升級進(jìn)行應(yīng)對，隨著油耗法規(guī)的日益嚴(yán)格，乘用車汽油發(fā)動(dòng)機(jī)面臨前所未有的挑戰(zhàn)，技術(shù)升級刻不容緩。

根據(jù)相關(guān)研究表明，冷卻EGR系統(tǒng)可有效降低汽油發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)混合氣燃燒溫度，改善燃燒，從而抑制發(fā)動(dòng)機(jī)爆震，提前燃燒點(diǎn)火角，提高燃燒效率，同時(shí)解決發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷工況下因排氣溫度過高而采取噴油加濃策略，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率[1]。

本文主要通過在某款小型缸內(nèi)直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上匹配高/低冷卻EGR系統(tǒng)，研究其對發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗的改善效果及發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程的影響，為汽油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)升級提供借鑒。

1 冷卻EGR布置形式及試驗(yàn)工況

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

本文涉及試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為一款成熟批產(chǎn)產(chǎn)品，已搭載多款國六車型，表1為發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)。

1.2 高低壓冷卻EGR布置

首先對試驗(yàn)用基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改制，低壓冷卻EGR系統(tǒng)改制布置示意圖如圖1所示，低壓EGR系統(tǒng)從一級催化器后取EGR氣體，EGR氣體經(jīng)冷卻后進(jìn)入增壓器壓端入口前（空濾后），與新鮮空氣混合后，經(jīng)過中冷器冷卻后，進(jìn)入進(jìn)氣歧管最終進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

參數(shù)名稱數(shù)值 排量/L1.5 氣缸數(shù)/個(gè)4 缸徑×沖程/（mm×mm）75.5×82 壓縮比10 噴油形式氣道噴射 進(jìn)氣形式廢氣渦輪增壓 燃油牌號（RON）國六 RON 92# 最低燃油消耗率/ （g/kW?h）245

圖1 低壓冷卻EGR系統(tǒng)布置示意圖

高壓冷卻EGR系統(tǒng)改制布置示意圖如圖2所示，高壓EGR系統(tǒng)從排氣歧管出口（增壓器渦端入口）取EGR氣體，EGR氣體經(jīng)冷卻后直接進(jìn)入進(jìn)氣歧管穩(wěn)壓腔（發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門體后），最終進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)。

圖2 高壓冷卻EGR系統(tǒng)布置示意圖

1.3 試驗(yàn)工況及測試方法

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)連接燃燒分析儀和排放測量設(shè)備，試驗(yàn)過程中保證發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件及邊界條件穩(wěn)定，固定噴油正時(shí)相位，通過調(diào)整點(diǎn)火提前角調(diào)節(jié)燃燒重心（AI50），使其盡可能到壓縮上止點(diǎn)后8°左右，否則將其標(biāo)定至爆震邊界。發(fā)動(dòng)機(jī)平均有效壓力的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)（COV）不超過3%[2]。

為研究高低壓冷卻EGR系統(tǒng)對發(fā)動(dòng)機(jī)平均有效燃油消耗率改善效果的差異，根據(jù)基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果，選取6個(gè)特征工況點(diǎn)及低速外特性區(qū)域進(jìn)行研究，如表2所示。

表2 試驗(yàn)測試特征點(diǎn)

轉(zhuǎn)速/rpm扭矩/Nm 2 000120、140、160 2 400140、150、160 1 200、1 600、1 750外特性

基于試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)固化標(biāo)定參數(shù)，通過調(diào)節(jié)EGR閥逐步增加外部EGR率，找到各特征點(diǎn)下的最低燃油消耗率，采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。EGR率計(jì)算公式如下[3]：

式中：CO2in為進(jìn)氣與廢氣混合后氣體中CO2的體積分?jǐn)?shù)；CO2ex為廢氣中CO2的體積分?jǐn)?shù)；CO2air為新鮮空氣中CO2的體積分?jǐn)?shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 部分負(fù)荷油消耗率對比

圖3、圖4為2 000 rpm及2 400 rpm部分負(fù)荷下發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率對比圖，如圖所示，在特征點(diǎn)上低壓EGR的燃油消耗率明顯低于高壓EGR，低壓EGR最低燃油消耗率為222 g/kW·h，而高壓EGR最低燃油消耗率為229 g/kW·h。

圖3 2 000 rpm部分負(fù)荷燃油消耗率對比

圖4 2 400 rpm部分負(fù)荷燃油消耗率對比

圖5為2 000 rpm及2 400 rpm部分負(fù)荷下發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)EGR率對比圖，如圖所示，低壓EGR的EGR率明顯高于高壓EGR，且低壓EGR系統(tǒng)通過節(jié)流閥的控制可以繼續(xù)增大EGR率，但高壓EGR系統(tǒng)中由于進(jìn)氣歧管內(nèi)與渦前壓差較小，EGR率無法進(jìn)一步提高，因此節(jié)油效果較低壓EGR差距較大。

圖5 部分負(fù)荷最優(yōu)EGR率對比

2.2 部分符合發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)對比

圖6、圖7為特征工況下發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度及進(jìn)氣量的對比。通過對比可發(fā)現(xiàn)由于高低壓EGR布置結(jié)構(gòu)差異，高壓EGR中的廢氣未經(jīng)過中冷器的冷卻直接進(jìn)入進(jìn)氣歧管，因此低壓EGR進(jìn)氣溫度明顯低于高壓EGR。由于進(jìn)氣溫度過高，在同等試驗(yàn)條件下，進(jìn)入到氣缸內(nèi)的進(jìn)氣量更低，同時(shí)過高的進(jìn)氣溫度也會導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒劣化，爆震傾向更加明顯[3-4]，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火角退角，如圖8部分負(fù)荷點(diǎn)火角對比所示。

圖6 部分負(fù)荷進(jìn)氣溫度對比

圖7 部分負(fù)荷進(jìn)氣量對比

圖8 部分負(fù)荷點(diǎn)火角對比

2.3 全負(fù)荷外特性對比

圖9為高低壓EGR在1 200 rpm、1 600 rpm、1 750 rpm轉(zhuǎn)速下外特性表現(xiàn)，如圖所示，在1 200 rpm、1 600 rpm兩個(gè)轉(zhuǎn)速下低壓冷卻EGR能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)外特性，但在1 750 rpm后，引入過大的EGR率發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩會有所降低，影響發(fā)動(dòng)機(jī)外特性扭矩提高。

圖9 低轉(zhuǎn)速下外特性對比

圖10為高壓EGR系統(tǒng)內(nèi)氣路的壓力對比，如圖所示在低速全負(fù)荷工況下，EGR閥出氣口（進(jìn)氣歧管）的壓力大于進(jìn)氣口（渦前）壓力，從而出現(xiàn)廢氣無法導(dǎo)入的狀況，由此可見高壓EGR在增壓機(jī)型的部分工況中是無法使用的，而低壓EGR系統(tǒng)無該問題。

圖10 高壓EGR系統(tǒng)氣路壓力

4 總結(jié)

本次研究表明，采用冷卻EGR系統(tǒng)可以有效改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程，提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率，從而大幅降低發(fā)動(dòng)機(jī)平均有效燃油消耗率。

根據(jù)選定的特征工況點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果顯示，平均有效燃油消耗率平均降低幅度在7%，最大降低幅度達(dá)到9%左右。

對比高低壓冷卻EGR系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)外特性及特征點(diǎn)油耗及相關(guān)參數(shù)，結(jié)論如下：

（1）在部分負(fù)荷下，高低壓冷卻EGR系統(tǒng)對降低發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率均有一定貢獻(xiàn)，且低壓冷卻EGR效果更加明顯。

（2）由于高壓冷卻EGR系統(tǒng)的布置原因，高壓EGR入口和出口的壓差過小，因此無法進(jìn)一步提高EGR率；同時(shí)由于高壓EGR直接進(jìn)入進(jìn)氣歧管穩(wěn)壓腔內(nèi)，導(dǎo)致進(jìn)氣溫度提高，不利于控制發(fā)動(dòng)機(jī)爆震。

（3）在低速外特性下，低壓冷卻EGR系統(tǒng)在一定程度上能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能，但超過一定轉(zhuǎn)速后增大EGR率會使得進(jìn)入氣缸的新鮮空氣量減少，導(dǎo)致性能降低。

綜上，在渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)上更適合采用低壓冷卻EGR系統(tǒng)，可作為后續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率升級的重要手段之一。

[1] 賈寧,高定偉,郭向陽,等. EGR對增壓進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)的影響研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程,2016,37(2):43-47.

[2] 張鵬,曹思雨,鄭洪磊,等.低壓冷卻EGR系統(tǒng)對汽油發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性[J].小型內(nèi)燃機(jī)與車輛技術(shù),2019,48(6):6-9.

[3] 余光耀,李巖,曹春暉,等.低壓廢氣再循環(huán)(LP_EGR)在汽油機(jī)上的應(yīng)用[J].汽車科技,2019(2):54-60.

[4] 吉田慎一郎,依藤行伸,平井直樹,等.低壓冷卻EGR系統(tǒng)在小型增壓式汽油機(jī)上的應(yīng)用[J].國外內(nèi)燃機(jī),2017(2):49-53.

Research on the Influence of High and Low Pressure Cooling EGR on the Turbocharged Engine

ZHANG Fa, CAO Liang, CAO Quanzuo, HU Zhigang, ZHANG Lin

（Center of Technology, Harbin Dongan Automotive Engine Manufacturing Co., Ltd., Heilongjiang Harbin 150060）

To suit the requirements of the high-efficiency engines, taking one 1.5 L PFI engine as the research object,the influence of the high and low pressure cooling EGR system on the engine was tested. By matching the HP/LP cooling EGR system on the same engine, the fuel consumption rate and other parameters of the engine under the same characteristic working conditions were tested. The research shows that the LP cooling EGR has better fuel saving effect than the HP cooling EGR, and is more suitable for the application of turbocharged engines.

HP cooler EGR and LP cooler EGR; Turbocharger; EGR rate; Brake specific fuel consumption

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.037

U464

A

1671-7988(2021)21-142-04

U464

A

1671-7988(2021)21-142-04

張法（1987—），男，工程師，學(xué)歷碩士，就職于哈爾濱東安汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司技術(shù)中心，研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)開發(fā)。